王成剛 晏芙蓉 曲令帥

（武漢工程大學機電工程學院）

基于組態(tài)王軟件的溫度數據采集系統(tǒng)的設計與研究*

王成剛**晏芙蓉 曲令帥

（武漢工程大學機電工程學院）

提出了基于組態(tài)王軟件和Pt100鉑熱電阻的溫度采集系統(tǒng)的設計方法。首先，通過非線性的鉑熱電阻Pt100采集被測物體周圍環(huán)境的溫度信號；其次，將采集的電阻信號通過泓格I－7015模塊輸入，同時利用I－7520將信號傳輸進計算機進行數據分析處理；最后，在組態(tài)王軟件上分別對冷凝冷卻實驗的實時監(jiān)控界面、實時溫度曲線、溫度數據報表和報警等進行程序編寫。

鉑熱電阻 實時監(jiān)測 組態(tài)王軟件 冷凝冷卻 溫度 數據采集系統(tǒng)

0 引言

隨著計算機技術和電子通信行業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的工業(yè)場所需要對溫度進行實時監(jiān)測、控制及數據存儲，如空冷器設備、冷凍庫、糧倉、儲罐、磚窯廠等場所[1]。鉑熱電阻Pt100的物理、化學性能穩(wěn)定，反應靈敏，可靠性高，被廣泛應用于溫度范圍為-50～200℃的溫度測量環(huán)境[2]。由于Pt100具有信號靈敏度高、易于連續(xù)測量等獨特的優(yōu)勢，因此可將鉑熱電阻的探頭伸入被測量介質中，通過所測電阻阻值的變化來確定設備內部介質溫度的變化規(guī)律。本文設計了基于鉑熱電阻Pt100的表面蒸發(fā)空冷器溫度采集系統(tǒng)，通過組態(tài)王軟件快速準確地處理、顯示所采集的數據，將電阻信號與溫度值的非線性關系擬合成非線性圖表，同時通過計算機將反饋信號送到對應的模塊，從而對被測環(huán)境溫度進行實時跟蹤和調試[3]。該系統(tǒng)具有操作簡單、高效準確等特點，可為用戶提供操作方便的人機界面，實現(xiàn)溫度曲線實時顯示、歷史數據查詢、報警事件記錄顯示以及保存數據報表等功能。

1 工作原理

基于鉑熱電阻Pt100的表面蒸發(fā)空冷器溫度采集系統(tǒng)采用WIN 2000計算機作為上位機（PC），利用組態(tài)王軟件處理和顯示采集到的實時數據，得到表面蒸發(fā)空冷器實驗裝置在不同條件下各部件和位置的溫度值。該系統(tǒng)的溫度控制流程如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)

根據測得的實時數據，可利用組態(tài)王軟件通過調節(jié)對應的循環(huán)水泵、熱水泵或風機的工作頻率來調節(jié)介質的溫度。此外，還可設置溫度報警的上、下限值，并保存意外的報警事故和歷史溫度數據報表，以方便工作人員排查裝置故障的原因。

2 系統(tǒng)硬件設計

該溫度采集系統(tǒng)硬件部分以I-7015模塊為核心，主要外圍硬件由兩部分組成，即Pt100鉑熱電阻與I-7015模塊和上位機與I-7015間的串行通信模塊，如圖2所示。

圖2 溫度采集系統(tǒng)硬件組成

2.1 Pt100鉑熱電阻與I-7015溫度測量模塊

Pt100溫度傳感器是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表，溫度采集范圍為-50~200℃，輸出信號為電阻信號，電阻值的變化與被測溫度變化呈正相關[4-5]。I-7015模塊是泓格公司推出的16位12 Hz熱電阻輸入模塊，其模塊具有內置的微處理器和堅固的工業(yè)級塑料外殼。在工業(yè)應用中相比于單片機而言，該模塊更容易操作且不需要進行編程，模塊自帶雙看門狗，可保障系統(tǒng)安全。因此，I-7015模塊符合該溫度采集系統(tǒng)的要求。

在實際應用中，該裝置考慮了外界環(huán)境干擾和工程設備安裝等干擾因素，從多個方面優(yōu)化了系統(tǒng)。例如：鉑熱電阻Pt100與I-7015模塊的接法。該接法主要有兩線制和三線制：兩線制接法配線簡單，安裝費用低，但是通訊距離較遠時，引線電阻自身會產生一定誤差；三線制接法雖然成本較高，但可以避免兩線制接法所產生的引線誤差，在工業(yè)檢測場合應用更為普遍。Pt100鉑熱電阻具備三線制接法的條件，可從根本上解決工業(yè)場所遠距離控制的限制，有效地提高系統(tǒng)測量精度和抗干擾能力。因此，該系統(tǒng)采用Pt100鉑熱電阻與I-7015模塊的三線制連接方式。

2.2 上位機與I-7015間的串行通信模塊

I-7520模塊是RS-232轉RS-485的轉換器模塊，I-7520有兩線制和四線制兩種接線方式。四線制只能實現(xiàn)點對點通信方式，工程上采用較少?？绽淦髟O備、冷凍庫等溫度監(jiān)控場所都采用兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓撲結構，即在同一總線上最多可掛接256個結點。實驗裝置系統(tǒng)采用I-7520模塊，將I-7015模塊與上位機PC進行通信連接。該系統(tǒng)的通信連接方式如圖3所示。

圖3 I-7015模塊與計算機通信連接

3 系統(tǒng)軟件設計

溫度采集系統(tǒng)軟件主要包括模塊與PC的通訊設置軟件和組態(tài)王軟件兩個部分。通過組態(tài)王的操作對外界環(huán)境和設備內部溫度變化進行實時處理和調整控制，使工業(yè)相關設備正常運行。

3.1 組態(tài)王與模塊的通訊程序設計

Pt100鉑熱電阻是把溫度變化轉換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它一次儀表上[6]。該實驗裝置將熱電阻直接連接在泓格模塊I-7015上，將電阻信號傳輸入I-7015模塊中。然后在模塊廠家所提供的應用軟件Dcon Utility上進行設置，通過主機發(fā)出一套命令，設置包括I/O地址、波特率、輸入方式（范圍）和有無校驗盒等參數。

I-7015模塊RTD類型可以分為Pt100、Pt1000、Ni120、Cu100和Cu1000這5類。模塊的采集溫度量程有多種，根據溫度采集系統(tǒng)的要求，熱電阻的測溫范圍為-50~200℃，因此在Dcon Utility軟件上將模塊量程選擇為包含熱電阻量程的最小區(qū)間-200~200℃，Pt100溫度系數為α=0.003 85。該模塊的參數選擇如圖4所示。

圖4 模塊的參數選擇

3.2 組態(tài)王程序設計

組態(tài)王程序設計主要是人機界面的設計，包括表面蒸發(fā)空冷器實驗控制系統(tǒng)界面繪制、命令語言的編寫、數據庫的搭建、設備連接的設置以及系統(tǒng)的配置等部分。

在實驗初期，發(fā)現(xiàn)該裝置實驗測量的溫度比正常溫度高出7～8℃，并且隨著溫度的升高組態(tài)王顯示溫度相對于實際溫度呈非線性增長。解決熱電阻非線性補償問題，通常采用硬件補償和軟件補償兩種方法。其中，軟件補償常采用計算法、查表法和插值法來進行補償。為了提高該裝置的檢測精度，減少硬件電路的消耗，在系統(tǒng)設計時采用軟件編程的方法來解決熱電阻非線性補償的問題，即通過查表的方式來校正熱電阻的非線性問題。這種方法通過編輯溫度變化表來校正熱電阻，從而得到更準確的溫度值。部分溫度值如表1所示。

表1 溫度變化表

4 結語

本文討論了基于組態(tài)王與非線性Pt100鉑熱電阻的溫度數據采集系統(tǒng)的設計。通過組態(tài)王建立工程場所的控制模擬系統(tǒng)，采用Pt100鉑熱電阻對外界環(huán)境和設備內部溫度的變化進行控制和調試，從而保證工廠設備正常運行。

該溫度采集系統(tǒng)以單片機為基礎，充分發(fā)揮模塊的優(yōu)勢，采用組態(tài)王軟件處理并顯示采集的數據，由計算機將信號反饋回模塊，為用戶提供了良好的人機界面，實現(xiàn)了溫度曲線實時顯示、歷史數據查詢以及報警事件顯示等功能。該溫度采集系統(tǒng)具有可靠性強、操作簡單、功能強大等特點，目前已在實際項目中得到了良好的應用。

[1]郝迎吉，馬德平.一種基于單片機的組態(tài)王溫度監(jiān)控系統(tǒng) [J].西安科技大學學報， 2005， 25（2）：201-203,223.

[2]于鑠航，李建新，賀琳．基于Pt100鉑熱電阻的測溫電路設計[J].工礦自動化，2014， 40（6）：113-115.

[3]孫明革，朱喜林.基于組態(tài)王軟件下的SQL數據庫技術[J].微計算機信息，2006，22（3-1）： 109-111.

[4]楊永竹.鉑電阻高精度非線性校正及其智能儀表中的應用 [J].儀表技術與傳感器，2000（8）：44-46.

[5]TANAKA K，YASUNO T，HIGASHI Y，et al.Development of the temperature-change sensor by thermoelectric elements and its response evaluation on dropping into water[J].Heat Transfer-Asian Research， 2009， 38(8):507-519.

[6]譚長森.基于Pt100型鉑熱電阻的測溫裝置設計[J].工礦自動化，2012（3）：89-91.

Design and Research of Temperature Data Acquisition System Based on King View Software

Wang Chenggang Yan Furong Qu Lingshuai

The design method of temperature acquisition system based on Kingview software and platinum thermal resistor Pt100 was put forward.First,the nonlinear Pt100 platinum thermal resistance is used to collect the temperature signals of the surrounding environment of the object being measured.Secondly,the resistance signal is input through the I-7015 module of ICP DAS company,and the signal is transmitted into the computer for data analysis and processing by using I-7520.Finally,the program of real-time monitoring interface,real-time temperature curve,temperature data report and alarm program are respectively written in King View software.

Platinum thermal resistor;Real-time monitoring;King View software;Condensing cooling;Temperature;Data acquisition system

TQ 056

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.009

國家自然科學基金（50976080）；武漢工程大學創(chuàng)新基金（編號：CX2015027）。

**王成剛，男，1974年生，博士，副教授。武漢市，430073。

2017-02-12）